Coproducción de hidrógeno y metano mediante codigestión de biosólidos y vinazas

Abstract

El crecimiento poblacional que viene experimentándose en los últimos años y que se prevé que continúe aumentando en los siguientes, ha provocado la generación de una mayor cantidad de residuos y una creciente demanda energética, la cual es generada principalmente mediante combustibles fósiles. Ante el inminente agotamiento de estos combustibles, el encarecimiento de su precio y la emisión de contaminantes a la atmósfera, se han venido desarrollando nuevas tecnologías con el propósito de encontrar y desarrollar nuevas fuentes de energía limpias. Entre estas tecnologías encontramos la digestión anaerobia, que servirá tanto para dar solución a la situación energética actual como para facilitar la gestión de la creciente generación de residuos. La presente Tesis Doctoral aborda la gestión conjunta de los lodos de depuradora con vinazas de vino, bajo el marco de la Economía Circular. Así, la problemática de los lodos se asocia al notable incremento de su generación en las estaciones depuradoras de aguas residuales y a los altos costes de gestión actuales. Por su parte, la cercanía de la comarca jerezana ha sido clave para la selección de las vinazas, dada la alta producción vitivinícola de esta zona y, consecuentemente, debido a la generación de residuos orgánicos altamente contaminantes que hay que gestionar. Se ha seleccionado el proceso de codigestión anaerobia en dos fases de temperatura y de microorganismos, (termofílica- acidogénica y mesofílicametanogénica secuenciales) como tecnología avanzada que permite la valorización de las dos corrientes generadas en el proceso: el biogás (valorización energética) y el digerido (valorización material). La presente Tesis Doctoral se presenta como compendio de cinco publicaciones, en las que se recogen los principales resultados de la optimización operativa de esta tecnología para la valorización conjunta de lodos y vinazas. Así en las dos primeras publicaciones se abordan las primeras etapas del trabajo experimental relacionadas con los ensayos de biodegradabilidad desarrollados en condiciones discontinuas, mientras que en el resto de publicaciones se discuten los resultados obtenidos en los estudios realizados a mayor escala en régimen semicontinuo de alimentación. Los primeros ensayos iban encaminados a determinar el potencial de producción de hidrógeno de la mezcla de lodos y vinazas mediante test en discontinuo. Se ensayaron diferentes proporciones de mezclas lodos:vinazas para, tras el análisis de los resultados, seleccionar la mezcla 50:50 v/v de lodos y vinazas como óptima para la generación de hidrógeno en el proceso de digestión anaerobia termofílica acidogénica (rendimiento de 41,16 mL H2/g SVañadidos). Además, los análisis cinéticos mostraron que los modelos de Cone y cinético de primer orden proporcionan mejores ajustes a los datos experimentales de producción de hidrógeno que el modelo de Gompertz modificado. De forma paralela, se plantearon ensayos para determinar la influencia de inóculos de diferentes procedencias y características en la producción de hidrógeno a partir de la fermentación en condiciones termofílicas de una mezcla de lodos y vinazas. Los resultados concluyeron que no es necesario tener un inóculo aclimatado para llevar a cabo el proceso de forma exitosa. Así, se determinó que el inóculo procedente de un digestor de lodos de EDAR (inóculo de lodos) es el más adecuado para su utilización en ensayos de determinación del potencial bioquímico de hidrógeno en condiciones termofílicas. El ensayo realizado con este inóculo alcanza un rendimiento de 177,23 mL H2/g SVañadidos, el cual es un 21 y 36 % superior a los rendimientos obtenidos en los test realizados con los otros inóculos ensayados. Así en el estudio de la dinámica poblacional, se detectó un crecimiento microbiano, con una mayor proporción de Eubacteria, en los test realizados con el inóculo de lodos desde 14,95·108 células/mL al inicio del ensayo hasta 85,90·108 células/mL al final del mismo, mientras que la concentración de microorganismos, y la proporción de Eubacteria, en los otros casos no sufrió apenas variación. A partir de las conclusiones obtenidas en estos ensayos se ha propuesto un protocolo estandarizado para la realización de los ensayos BHP. Posteriormente, en régimen semicontinuo, se llevaron a cabo estudios de optimización de la codigestión anaerobia en dos etapas y fases de temperatura de lodos de depuradora y vinazas de vino. Con ese fin se estudió la influencia del tiempo hidráulico de retención, THR, (o velocidad de carga orgánica), tanto en el reactor termofílico acidogénico como en el reactor mesofílico metanogénico. En ambos reactores, la disminución del tiempo hidráulico de retención, o aumento de la velocidad de carga orgánica, se tradujo en un aumento en la producción de hidrógeno o metano según sea el reactor acidogénico o metanogénico, respectivamente. En base a los resultados alcanzados se seleccionaron los tiempos hidráulicos de retención de 1 día y 4 días como óptimos para la primera y la segunda etapa del proceso, respectivamente. En estas condiciones de operación, los rendimientos de hidrógeno y metano obtenidos fueron de 28,54 mL H2/g SVañadidos y 159,40 mL CH4/g DQOeliminada, respectivamente. El seguimiento de las poblaciones microbianas mostró diferencias en los tamaños de los principales grupos de bacterias y Archaea contenidas en los reactores y en la composición de las subpoblaciones que componen cada grupo. Además los modelos de Grau de segundo orden y Stover-Kincannon permitieron describir el comportamiento experimental del reactor mesofílico metanogénico con una precisión superior al 90 %. Por último, y una vez optimizados los THR de las etapas acidogénica termofílica y metanogénica mesofílica se analizó la viabilidad de la codigestión anaerobia en dos etapas y fases de temperatura de lodos de depuradora y vinazas de vino, bajo el prisma de la Economía Circular. Así la primera etapa acidogénica alcanzó un rendimiento de 22,90 mL H2/g SVañadidos y mejoró la producción de metano en la segunda etapa, ya que el rendimiento de metano obtenido (212,56 mL CH4/g SVañadidos) es un 77 % superior al rendimiento de metano obtenido en reactores monoetapa. Finalmente se determinó que la valorización energética del metano generado en el sistema permite obtener una cantidad de energía eléctrica de 14,03 kWh por tonelada de sustratos alimentados al sistema y que el digerido final del proceso, en base a su contenido en E. coli y Salmonella, se puede considerar como biosólido Clase A según la USEPA al cumplirse los requerimientos legales para ello.